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글루볼

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1. 개요

글루볼은 양자 색역학(QCD)에서 예측되는 입자로, 게이지 대칭에 대해 중성이며, 글루온으로만 구성된다. 이론적으로는 QCD 방정식과 기본 물리 상수로부터 성질을 계산할 수 있지만, 계산의 어려움과 불확실성으로 인해 예측에 변동이 있다. 글루볼은 불안정하여 다양한 입자로 붕괴될 것으로 예상되며, 질량, 각운동량, 전하 등의 특성을 갖는다. 실험적으로는 f0(1500) 입자가 가장 유력한 후보로 여겨지지만, 결정적인 증거는 아직 없다. 격자 QCD 시뮬레이션을 통해 글루볼의 질량과 스펙트럼을 연구하며, 다양한 글루볼 후보 입자들이 제시되고 있다.

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글루볼
일반 정보
이름글루볼
다른 이름접착 공
접착제 공
접착 성분 공
설명글루온으로만 구성된 가상의 복합 입자
입자 종류가상 입자
상호 작용강력
구성글루온
이론 물리학양자 색역학
격자 게이지 이론
존재 여부실험적으로 확인되지 않음

2. 이론

색가둠에 따라, 낮은 에너지에서 관측 가능한 자유도는 게이지 대칭에 대하여 중성이어야 한다. 원칙적으로, 글루볼의 모든 성질은 양자 색역학(QCD)의 방정식과 기본 물리 상수로부터 추가적인 실험적 입력 없이 정확하게 계산하고 직접 유도하는 것이 이론적으로 가능하다. 따라서, 이 가상 입자의 예측된 성질은 표준 모형 물리학만을 사용하여 매우 상세하게 설명할 수 있다. 그러나, 관련 주요 물리 상수 측정에 상당한 불확실성이 있으며, QCD 계산이 매우 어려워 방정식의 해는 거의 항상 수치 근사치(여러 다른 방법을 사용)이다. 이로 인해 글루볼 붕괴에서의 질량 및 분기율과 같은 글루볼 성질에 대한 이론적 예측에 변동이 발생할 수 있다.[5]

2. 1. 구성 입자 및 색전하

색가둠에 따라, 낮은 에너지에서 관측 가능한 자유도는 게이지 대칭에 대하여 중성이어야 한다. SU(''N'') 게이지 대칭을 생각할 때, 글루온 A는 SU(''N'')의 딸림표현으로 변환한다. 기본 (''N''차원) 표현의 지표를 \psi^i, 반기본 표현을 \bar\psi_i로 표현할 경우, 글루온은

:A^i_j

꼴의 지표를 갖는다.

기본 표현의 쿼크 \psi^i와 반쿼크 \bar\psi_i로 이루어진 중간자

:\psi^i\bar\psi_i

꼴이고, ''N''개의 쿼크로 이루어진 중입자 및 ''N''개의 반쿼크로 이루어진 반중입자는

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\psi^{i_1}\psi^{i_2}\cdots\psi^{i_N}

:\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}\bar\psi_{j_1}\bar\psi_{j_2}\cdots\bar\psi_{j_N}

꼴이다. 마찬가지로, 두 개의 글루온으로 구성된 글루볼

:A^i_jA^j_i

과 ''N''개의 글루온으로 구성된 글루볼

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}A^{i_1}_{j_1}A^{i_2}_{j_2}\cdots A^{i_N}_{j_N}

연산자를 정의할 수 있다.

다른 게이지 군 (SO(2''N''), SO(2''N''+1), USp(2''N''))에서는 다른 수의 쿼크를 가진 중입자가 존재하고, 이 경우 마찬가지로 다른 글루볼 연산자를 정의할 수 있다. 글루볼에 대한 이론적 연구는 각각 2개와 3개의 쿼크로 구성된 메손과 바리온과 유사하게, 두 개 또는 세 개의 글루온으로 구성된 글루볼에 초점을 맞춰왔다. 메손과 바리온의 경우와 마찬가지로 글루볼은 QCD 색 전하 중성을 띠게 된다. 글루볼의 바리온수는 0이다.

2. 2. 총 각운동량

글루볼은 총 각운동량 ''J'' = 0 (스칼라 보손 또는 유사 스칼라) 또는 ''J'' = 2 (텐서)를 가질 수 있다. 삼중 글루온 글루볼은 총 각운동량 ''J'' = 1 (벡터 보손) 또는 3 (3차 텐서 보손)을 가질 수 있다. 모든 글루볼은 정수 총 각운동량을 가지며, 이는 글루볼이 페르미온이 아닌 보손임을 의미한다.

글루볼은 표준 모형이 예측하는 입자 중 바닥 상태에서 총 각운동량(''J'') (때로는 "고유 스핀"이라고 함)이 2 또는 3일 수 있는 유일한 입자이지만, ''J'' = 0 및 ''J'' = 1을 가진 두 개의 쿼크로 구성된 중간자도 유사한 질량으로 관찰되었으며, 다른 중간자의 여기 상태는 이러한 총 각운동량 값을 가질 수 있다.

2. 3. 전하

색가둠에 따라, 낮은 에너지에서 관측 가능한 자유도는 게이지 대칭에 대하여 중성이어야 한다. SU(''N'') 게이지 대칭을 생각하면, 글루온은 SU(''N'')의 딸림표현으로 변환한다. 기본 (''N''차원) 표현의 지표를 \psi^i, 반기본 표현을 \bar\psi_i로 표현할 경우, 글루온은 A^i_j 꼴의 지표를 갖는다.

기본 표현의 쿼크 \psi^i와 반쿼크 \bar\psi_i로 이루어진 중간자\psi^i\bar\psi_i 꼴이고, ''N''개의 쿼크로 이루어진 중입자 및 ''N''개의 반쿼크로 이루어진 반중입자는 각각 다음과 같다.

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\psi^{i_1}\psi^{i_2}\cdots\psi^{i_N}

:\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}\bar\psi_{j_1}\bar\psi_{j_2}\cdots\bar\psi_{j_N}

마찬가지로, 두 개의 글루온으로 구성된 글루볼 A^i_jA^j_i 과 ''N''개의 글루온으로 구성된 글루볼 연산자도 정의할 수 있다.

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}A^{i_1}_{j_1}A^{i_2}_{j_2}\cdots A^{i_N}_{j_N}

다른 게이지 군 (SO(2''N''), SO(2''N''+1), USp(2''N''))에서는 다른 수의 쿼크를 가진 중입자가 존재하고, 이 경우에도 마찬가지로 다른 글루볼 연산자를 정의할 수 있다. 모든 글루볼은 전하가 0인데, 이는 글루온 자체가 전하를 띠지 않기 때문이다.

2. 4. 질량 및 패리티

색가둠에 따라, 낮은 에너지에서 관측 가능한 자유도는 게이지 대칭에 대하여 중성이어야 한다. SU(''N'') 게이지 대칭에서 글루온 A는 SU(''N'')의 딸림표현으로 변환한다. 기본 (''N''차원) 표현의 지표를 \psi^i, 반기본 표현을 \bar\psi_i로 표현할 경우, 글루온은 A^i_j 꼴의 지표를 갖는다.

기본 표현의 쿼크 \psi^i와 반쿼크 \bar\psi_i로 이루어진 중간자\psi^i\bar\psi_i 꼴이고, ''N''개의 쿼크로 이루어진 중입자 및 ''N''개의 반쿼크로 이루어진 반중입자는 다음과 같다.

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\psi^{i_1}\psi^{i_2}\cdots\psi^{i_N}

:\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}\bar\psi_{j_1}\bar\psi_{j_2}\cdots\bar\psi_{j_N}

마찬가지로, 두 개의 글루온으로 구성된 글루볼은 A^i_jA^j_i 이고 ''N''개의 글루온으로 구성된 글루볼은 다음과 같다.

:\epsilon_{i_1i_2\dots i_N}\epsilon^{j_1j_2\dots j_N}A^{i_1}_{j_1}A^{i_2}_{j_2}\cdots A^{i_N}_{j_N}

이들은 연산자로 정의할 수 있다.

다른 게이지 군 (SO(2''N''), SO(2''N''+1), USp(2''N''))에서는 다른 수의 쿼크를 가진 중입자가 존재하고, 이와 마찬가지로 다른 글루볼 연산자를 정의할 수 있다.

글루볼은 양자 색역학(QCD)에 의해 질량이 있는 것으로 예측되는데, 이는 글루온 자체가 표준 모형에서 정지 질량이 0이라는 사실과는 대조적이다.[5] 모든 가능한 총 각운동량에 대해 P영어 (공간 패리티) 및 C영어 (전하 패리티)의 가능한 네 가지 조합 모두를 가진 글루볼이 고려되었으며, 여기서 동일한 양자수를 공유하지만 질량이 다른 들뜬 글루볼 상태를 포함하여 최소 15개의 가능한 글루볼 상태가 생성되었다. 가장 가벼운 상태는 (양자수 J = 0, P = +1, C = +1, 또는 JPC = 0++인 글루볼의 경우)의 질량을 가지며, 가장 무거운 상태는 거의 (양자수 J = 0, P = +1, C = −1, 또는 JPC = 0+−인 글루볼의 경우)의 질량을 가진다.[5]

이러한 질량은 실험적으로 관찰된 많은 중간자 및 중입자의 질량과 동일한 차수를 가지며, 타우 렙톤, 매력 쿼크, 바닥 쿼크, 일부 수소 동위원소, 일부 헬륨 동위원소의 질량과도 비슷하다.

3. 실험

격자 게이지 이론에서의 수치계산으로 글루볼의 존재와 질량이 예언되고 있지만, 붕괴 과정 계산은 매우 어려워 정확한 데이터는 알려져 있지 않다. 글루볼은 통상적인 중간자 상태와 결합하여 존재할 것으로 예측되어 입자 가속기에서 발견하기 매우 어려울 것으로 예상된다. 실험으로는 f0(1500) 입자가 가장 가벼운 글루볼의 유력한 후보로 거론되기도 하지만, 글루볼의 성질(붕괴 과정 등)에 대한 이론이 확실하게 정립되지 않아 결정적인 증거는 아직 없다.[13]

입자 가속기 실험에서는 불안정한 합성 입자를 식별하고, 관찰된 입자 공명에 입자의 모든 속성을 즉시 할당할 수 없더라도, 해당 입자에 대략 10 MeV/c2의 정밀도로 질량을 할당할 수 있다. 수십 개의 이러한 입자가 감지되었지만, 일부 실험에서만 감지된 입자는 의심스러운 것으로 간주될 수 있다.

이러한 후보 중 다수는 최소 18년 동안 활발한 조사의 대상이 되어 왔다.[13] GlueX 실험은 글루볼에 대한 더 결정적인 실험적 증거를 생성하도록 특별히 설계되었다.[19]

3. 1. 실험적 후보

격자 게이지 이론에서의 수치계산으로 글루볼의 존재와 질량이 예측되고 있지만, 붕괴 과정 계산의 어려움으로 인해 정확한 데이터는 알려져 있지 않다. 글루볼은 통상적인 중간자 상태와 결합하여 존재할 것으로 예측되어 입자 가속기에서 발견하기 매우 어려울 것으로 예상된다. f0(1500) 입자가 가장 가벼운 글루볼의 유력한 후보로 거론되기도 하지만, 글루볼의 성질(붕괴 과정 등)에 대한 이론이 확실하게 정립되지 않아 결정적인 증거는 부족한 상황이다.[13]

입자 가속기 실험에서는 불안정한 합성 입자를 식별하고, 관찰된 입자 공명에 입자의 모든 속성을 즉시 할당할 수 없더라도, 해당 입자에 대략 10MeV/c2의 정밀도로 질량을 할당할 수 있다. 수십 개의 이러한 입자가 감지되었지만, 일부 실험에서만 감지된 입자는 의심스러운 것으로 간주될 수 있다. 이러한 후보 중 다수는 최소 18년 동안 활발한 조사의 대상이 되어 왔다.[13] GlueX 실험은 글루볼에 대한 더 결정적인 실험적 증거를 생성하도록 특별히 설계되었다.[19]

다음은 글루볼일 가능성이 있는 후보 입자 공명 중 일부이지만, 증거는 결정적이지 않다.

3. 1. 1. 벡터, 유사 벡터 또는 텐서 글루볼 후보

입자 가속기 실험에서는 불안정한 합성 입자를 식별하고, 관찰된 입자 공명에 입자의 모든 속성을 즉시 할당할 수 없더라도 해당 입자에 대략 의 정밀도로 질량을 할당할 수 있다. 수십 개의 이러한 입자가 감지되었지만, 일부 실험에서만 감지된 입자는 의심스러운 것으로 간주될 수 있다.

이러한 후보 중 다수는 최소 18년 동안 활발한 조사의 대상이 되어 왔다.[13] GlueX 실험은 글루볼에 대한 더 결정적인 실험적 증거를 생성하도록 특별히 설계되었다.[19]

다음은 글루볼일 가능성이 있는 후보 입자 공명 중 일부이지만, 증거는 결정적이지 않다.

  • BaBar 협력단이 관측한 X(3020)는 PC = 2-+, 1+- 또는 1−−인 글루볼 상태의 들뜬 상태 후보로, 질량은 약 이다.[7]

3. 1. 2. 스칼라 글루볼 후보

격자 게이지 이론에서의 수치계산에서 그 존재와 질량이 예언되고 있지만, 붕괴 과정의 계산까지는 매우 어려워서 정확한 데이터는 알려져 있지 않다. 글루볼은 입자 가속기에서의 발견이 매우 어렵다고 예상되는데, 왜냐하면 통상적인 중간자 상태와 결합하여 존재할 것으로 예측되기 때문이다. 실험으로는 f0(1500) 입자가 가장 가벼운 글루볼의 유력한 후보로 생각되기도 하지만 글루볼의 성질(붕괴 과정 등)에 관한 이론이 확실하게 존재하지 않아서 확실히 이것이 글루볼이라는 결정적인 증거는 아직 없다.[13]

입자 가속기 실험은 종종 불안정한 합성 입자를 식별하고, 관찰된 입자 공명에 입자의 모든 속성을 즉시 할당할 수 없더라도, 해당 입자에 대략 10 MeV/c2의 정밀도로 질량을 할당할 수 있다. 수십 개의 이러한 입자가 감지되었지만, 일부 실험에서는 감지되었지만 다른 실험에서는 감지되지 않은 입자는 의심스러운 것으로 간주될 수 있다. GlueX 실험은 글루볼에 대한 더 결정적인 실험적 증거를 생성하도록 특별히 설계되었다.[19]

다음은 글루볼일 가능성이 있는 후보 입자 공명 중 일부이지만, 증거는 결정적이지 않다.

  • '''f0(500)''' (σ): 이 입자의 성질은 질량이 1000 MeV/c2 또는 1500 MeV/c2인 글루볼과 일치할 수 있다.[5]
  • '''f0(980)''' : 이 복합 입자의 구조는 가벼운 글루볼의 존재와 일치한다.[5]
  • '''f0(1370)''' : 이 공명은 존재 여부에 대한 논란이 있지만 글루볼-메슨 혼합 상태의 후보이다.[5]
  • '''f0(1500)''' : 이 공명의 존재는 논란의 여지가 없지만, 글루볼-메슨 혼합 상태인지 순수한 글루볼인지는 잘 확립되어 있지 않다.[5]
  • '''f0(1710)''' : 이 공명의 존재는 논란의 여지가 없지만, 글루볼-메슨 혼합 상태인지 순수한 글루볼인지는 잘 확립되어 있지 않다.[5]

3. 1. 3. 기타 후보

입자 가속기 실험에서는 종종 불안정한 합성 입자들이 발견되는데, 이 입자들은 대략 의 정밀도로 질량이 측정된다. 수십 개의 입자가 발견되었지만, 일부 실험에서만 발견되고 다른 실험에서는 발견되지 않는 입자들은 의심스러운 것으로 간주될 수 있다.[13]

이러한 후보 입자들 중 상당수는 최소 18년 동안 활발하게 연구되어 왔다. GlueX 실험은 글루볼에 대한 더 확실한 실험적 증거를 찾기 위해 특별히 설계되었다.[19]

다음은 글루볼일 가능성이 있는 후보 입자들이지만, 증거는 결정적이지 않다.

  • LEP 실험에서 글루온 제트는 전자기적으로 중성인 클러스터가 이론적 예측보다 40% 더 많이 나타났다. 이는 글루볼과 같이 글루온이 풍부한 환경에서 예상되는 전자기적으로 중성인 입자가 존재할 가능성을 보여준다.[5]

3. 2. 격자 QCD 시뮬레이션

격자 게이지 이론에서의 수치계산에서 글루볼의 존재와 질량이 예언되고 있지만, 붕괴 과정 계산은 매우 어려워 정확한 데이터는 알려져 있지 않다. 글루볼은 입자 가속기에서의 발견이 매우 어렵다고 예상되는데, 이는 통상적인 중간자 상태와 결합하여 존재할 것으로 예측되기 때문이다. 실험으로는 f0(1500) 입자가 가장 가벼운 글루볼의 유력한 후보로 생각되기도 하지만, 글루볼의 성질(붕괴 과정 등)에 관한 이론이 확실하게 존재하지 않아 이것이 글루볼이라는 결정적인 증거는 아직 없다.

원칙적으로, 글루볼의 모든 성질은 양자 색역학(QCD)의 방정식과 기본 물리 상수로부터 추가적인 실험적 입력 없이 정확하게 계산하고 직접 유도하는 것이 이론적으로 가능하다. 따라서, 이 가상 입자의 예측된 성질은 이론 물리학 문헌에서 널리 받아들여지는 표준 모형 물리학만을 사용하여 매우 상세하게 설명할 수 있다. 그러나, 관련 주요 물리 상수 중 일부의 측정에 상당한 불확실성이 있으며, QCD 계산이 너무 어려워서 이러한 방정식의 해는 거의 항상 수치 근사치(여러 매우 다른 방법을 사용하여 계산)이다. 이로 인해 글루볼 붕괴에서의 질량 및 분기율과 같은 글루볼 성질에 대한 이론적 예측에 변동이 발생할 수 있다.

격자 QCD는 글루볼 스펙트럼을 이론적으로, 그리고 근본적인 원리로부터 연구하는 방법을 제공한다. 격자 QCD 방법을 사용하여 계산된 최초의 양 중 일부는 1980년의 글루볼 질량 추정치였다.[16] Morningstar와 Peardon은[17] 1999년에 동역학적 쿼크가 없는 QCD에서 가장 가벼운 글루볼의 질량을 계산했다. 동역학적 쿼크의 존재는 이러한 데이터를 약간 변경하지만, 계산을 더 어렵게 만든다. 그 이후로 QCD 내 계산(격자 및 합 규칙)은 가장 가벼운 글루볼이 약 1000MeV/c2에서 1700MeV/c2 범위의 질량을 가진 스칼라임을 발견했다.[5] 스칼라 및 유사 스칼라 글루볼에 대한 격자 예측은 여기에는 여기 상태를 포함하여 양-밀스 이론에서 Dyson–Schwinger/Bethe–Salpeter 방정식을 통해 확인되었다.[18] 세 개의 가장 낮은 상태는 아래 표에 정리되어 있다.

J PC질량
0++
2++
0−+


참조

[1] 논문 Glueballs 1998-11
[2] 논문 The Physics of Glueballs 2009
[3] 웹사이트 Glueball on arxiv.org http://xstructure.in[...]
[4] 서적 Nonperturbative Topological Phenomena in QCD and Related Theories Springer 2021
[5] 논문 The status of glueballs 2013
[6] 논문 Nonchiral Enhancement of Scalar Glueball Decay in the Witten–Sakai–Sugimoto Model 2015-09-21
[7] 논문 Identifying glueball at 3.02 GeV in baryonic B decays 2013
[8] 논문 Odderon Exchange from Elastic Scattering Differences between ''pp'' and ''p{{overline|p}}'' Data at 1.96 TeV and from ''pp'' Forward Scattering Measurements 2021-08-04
[9] 논문 Odderon discovered https://cerncourier.[...] 2021-04-13
[10] 논문 Evidence of Odderon-exchange from scaling properties of elastic scattering at TeV energies Springer Nature Switzerland AG. 2021-02-23
[11] 논문 Determination of Spin-Parity Quantum Numbers of X(2370) as 0−+ from J/ψ → γK{{su|p=0|b=S}}K{{su|p=0|n=S}}η′ 2024-05
[12] 웹사이트 New particle at last! Physicists detect the first "glueball" https://bigthink.com[...] 2024-05-08
[13] 웹사이트 Search for Glueballs http://www.slac.stan[...] Stanford University
[14] arXiv Branching ratios of the pseudoscalar glueball with a mass of 2.6 GeV 2013
[15] 논문 Non-ordinary light meson couplings and the 1/Nc expansion 2014
[16] 논문 Plaquette-plaquette correlations in the SU(2) lattice gauge theory 1980
[17] 논문 Glueball spectrum from an anisotropic lattice study 1999
[18] 논문 Spectrum of scalar and pseudoscalar glueballs from functional methods 2020
[19] 웹사이트 The Physics of GlueX http://www.gluex.org[...] 2015-05-07



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